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基于粒度分布的MRU脫鹽閃蒸罐工藝參數(shù)優(yōu)選①

劉 康1賀 三2劉曉明1徐兆立2袁宗明2

1.中海石油深海開發(fā)有限公司2.西南石油大學石油與天然氣工程學院

摘要乙二醇再生脫鹽裝置是深水天然氣開發(fā)中的核心裝置之一，常采用蒸發(fā)結晶和重力沉降原理來實現(xiàn)高溶解度鹽(如NaCl)的脫除。對脫鹽閃蒸罐的主要工藝參數(shù)，過去主要從能耗的角度進行優(yōu)選，只能反映工藝參數(shù)對蒸發(fā)的影響，難以直接反映對結晶與顆粒沉降分離的影響。從晶體粒度分布的角度出發(fā)，利用激光粒度儀研究了溫度、壓力和停留時間等因素對NaCl在乙二醇溶液中晶體粒度分布的影響規(guī)律，并據(jù)此優(yōu)選工藝參數(shù)。結果表明，在同等條件下，溫度越高，晶體的粒度分布越分散，平均粒度越??；真空度越高，晶體的粒度分布越分散，平均粒度越?。煌Ａ魰r間過長或過短都將導致晶體的平均粒度變小。對所討論的介質(zhì)，優(yōu)選后的工藝參數(shù)為：閃蒸溫度140 ℃，壓力-80 kPa，停留時間5 min。經(jīng)研制的連續(xù)實驗裝置驗證，優(yōu)選后的參數(shù)能實現(xiàn)穩(wěn)定的沉降分離和脫鹽。

關鍵詞閃蒸罐工藝參數(shù)NaCl乙二醇粒度分布

深水氣田開發(fā)中，常在天然氣管道中注入貧乙二醇，以防水合物的形成[1]。為降低使用成本，需乙二醇再生裝置(Monoethylene Glycol Regeneration Unit，MRU)對返回的乙二醇富液進行處理。而乙二醇富液中常含有大量的高溶解度鹽(主要為NaCl，下面以此代表高溶解度鹽)，常規(guī)的MRU不具備脫鹽功能，易造成系統(tǒng)因鹽析出/結垢堵塞重沸器和換熱器，使得整個裝置無法正常工作[2-4]。為此，深水氣田開發(fā)時，大多采用具備脫鹽功能的MRU[5-6]，并已作為關鍵系統(tǒng)之一應用于依托平臺上[1]。國際上成功開展乙二醇回收脫鹽系統(tǒng)研發(fā)制造與應用的公司主要有Cameron、Aker Solutions、CCR、COMART等[7-10]。國內(nèi)在深水天然氣開發(fā)中沒有研究開發(fā)乙二醇再生脫鹽裝置的經(jīng)驗，對相關技術研究較少，無自主研制的工程化裝置，在荔灣3-1氣田開發(fā)中只能采用國外進口裝置，不僅費用高昂，在設計、制造和運行上均受制于人。

本研究根據(jù)脫除NaCl的基本原理，研制了一套乙二醇脫除高溶解度鹽的實驗裝置[11]。對其運行工藝參數(shù)的優(yōu)化，過去主要以降低能耗為目標，以工藝模擬的結果為基礎來進行，其只能反映工藝參數(shù)對蒸發(fā)的影響，難以直接反映對結晶與顆粒沉降分離的影響。該裝置的核心工藝設備是閃蒸罐，其中顆粒的沉降分離受粒度和離散度的影響較大，較大的平均粒度和較小的離散度可確保絕大部分顆粒能順利進入閃蒸罐底部，避免大量顆粒進入循環(huán)加熱管路引起堵塞/結垢問題。本研究嘗試從影響NaCl顆粒沉降分離效果最重要的一項參數(shù)——粒度分布角度來進行工藝參數(shù)的篩選和優(yōu)化。

1乙二醇脫鹽基本工藝

乙二醇脫鹽的基本原理是蒸發(fā)結晶。其基本工藝流程見圖1。含鹽乙二醇溶液進入閃蒸罐后，通過外部的循環(huán)管路強制循環(huán)加熱，蒸發(fā)出的乙二醇溶液冷凝后回收。閃蒸罐中析出的NaCl晶體在重力作用下沉降至閃蒸罐底部，再由鹽泵送入離心機進行分離，分離后的鹽被回收，離心出來的乙二醇溶液返回閃蒸罐，以減小損耗。該裝置的核心設備是閃蒸分離器，其工藝參數(shù)直接影響著裝置的運行效果。

由于閃蒸罐內(nèi)壓力較低，直接在閃蒸罐內(nèi)加熱存在著弊端，一方面可能導致加熱器表面溶液氣化和結垢的問題。以質(zhì)量分數(shù)為99%的乙二醇溶液為例，利用Aspen Plus模擬表明，在表壓為-80 kPa，溫度為150 ℃時，其氣相分數(shù)為0.094。鄰近加熱管表面的液膜將有一部分氣化，使得少量鹽析出來，導致加熱器表面結垢。另一方面，閃蒸罐內(nèi)存在大量鹽顆粒，運行一段時間后易附著在加熱器表面形成垢，使得加熱器換熱效率下降。故多采用外部循環(huán)加熱的方式。

2實驗部分

實驗所用裝置如圖2所示。采用帶夾套的玻璃結晶器來實現(xiàn)蒸發(fā)結晶，結晶器的溫度通過高溫恒溫循環(huán)槽加熱熱油來保持結晶器的溫度，結晶器內(nèi)的壓力通過連接的真空泵和調(diào)節(jié)閥來控制。通過激光檢測裝置確定結晶器內(nèi)晶體出現(xiàn)的時間，該激光裝置由波長531 nm的氦氖激光發(fā)射器、接收器和數(shù)字顯示3部分構成。當觀測到數(shù)字激光功率計的讀數(shù)出現(xiàn)顯著變化時開始計時，到預計時間后停止蒸發(fā)，并立即用移液管取樣，將所取樣品通過抽濾系統(tǒng)過濾，抽濾完畢后放置于干燥箱內(nèi)烘干備用。利用英國馬爾文HYDRO2000型激光粒度儀進行晶體的粒度分析。

實驗所用乙二醇溶液質(zhì)量分數(shù)為80%，NaCl質(zhì)量分數(shù)為5%。實驗溫度為130~150 ℃，結晶器內(nèi)的壓力為-80~-95 kPa，停留時間為3~20 min。實驗中不考慮攪拌的影響。

3結果與討論

3.1　溫度對NaCl晶體粒度的影響

因溫度會影響溶液中介穩(wěn)區(qū)的寬度，也是影響晶體成核速率和生長速率的關鍵參數(shù)之一，故在實驗條件下，以溫度為變量，研究了其對NaCl晶體粒度的影響。由圖3可知，壓力一定，溫度越高，NaCl晶體的平均粒度越小，其粒度分布的離散度越大，粒度分布越不均勻。130 ℃和135 ℃時的平均粒度和離散度均優(yōu)于其他溫度，但在140 ℃時，D(0.1)為83.928 μm，是這幾個溫度條件中最高的，更有利于顆粒的沉降分離。其主要原因是由于溫度越高，蒸發(fā)速率越快，單位時間內(nèi)蒸發(fā)出的乙二醇溶液越多，導致形成高過飽和度，產(chǎn)生晶核的速率更快。同時溫度越高，晶粒與晶粒間碰撞并發(fā)生破碎的行為更容易且更劇烈，導致粒度分布更分散，粒徑也降低，不利于沉降。且溫度降低，還會使乙二醇溶液的黏度增加，導致顆粒的沉降受到影響。因此，在后續(xù)實驗研究中選擇140 ℃為溫度條件。

3.2　壓力對NaCl晶體粒度的影響

因壓力是真空蒸發(fā)系統(tǒng)中影響系統(tǒng)蒸發(fā)速率的關鍵因素，進一步影響著過飽和度，故在實驗條件下，以壓力為變量，研究了其對NaCl晶體粒度的影響。由圖4可知，相同溫度下，壓力越低，NaCl晶體的平均粒度越小，離散度越大，粒度分布越分散。-95 kPa時，晶體離散度最低，有利于獲得較均勻的顆粒，但其粒徑最小，平均粒度為147.687 μm，D(0.1)為75.153 μm，對沉降不利。且壓力越低，對真空泵和系統(tǒng)氣密性要求也越高。在-90~-80 kPa的變化范圍內(nèi)，晶體的離散度變化較平緩，在-80 kPa時，平均粒度大于205 μm，盡管離散度相對較高，但其D(0.1)為94.521 μm，略高于其他壓力條件下的粒徑，更有利于沉降。因此，選擇-80 kPa作為壓力條件。

3.3　停留時間對NaCl晶體粒度的影響

由于晶體在結晶器內(nèi)的生長時間會對粒度分布產(chǎn)生一定的影響，故在實驗條件下，以時間為變量，研究了停留時間對NaCl晶體粒度的影響。由圖5可知，NaCl晶體的平均粒度在停留時間15 min時達到最大。這是因為在一定時間內(nèi)，停留時間越久，晶體長大的時間越久，晶體的平均粒度也越大，而過長的停留時間會使晶體因摩擦、碰撞而破碎，從而增加晶體成核的數(shù)量，同時還會增加結晶器的尺寸，增加設備投資。因此，就本文所研究的條件而言，5 min是較好的停留時間，不僅晶體粒度可以滿足基本需求，其離散度也相對較小。

4實驗驗證

上述實驗優(yōu)選出的工藝參數(shù)為140 ℃、-80 kPa和5 min停留時間。為進一步驗證該參數(shù)的可行性，在研制的一套處理量為0.2 m3/h的連續(xù)實驗裝置上進行了測試[11]，其核心工藝流程與圖1的工藝流程一致，僅在閃蒸罐底部去離心機的管路上，增加了由緩沖罐、管路和鹽泵等組成的一個子系統(tǒng)，以便積存較多的鹽顆粒后再啟動離心機進行分離，避免離心機頻繁啟動。閃蒸罐液相空間按照顆粒停留時間5 min來設計液位，并在閃蒸罐底部出口的管口處設置了一個取樣口。因樣品直接取自閃蒸罐內(nèi)，故可代表其中的結晶情況。受真空泵的限制，實驗共測試了7組數(shù)據(jù)，工藝參數(shù)見表1，各組的停留時間均按照5 min考慮，實驗結果見圖6。

由圖6可知，在連續(xù)實驗裝置上獲得的閃蒸罐內(nèi)NaCl晶體的平均粒度與離散度總體上比室內(nèi)模擬實驗的值要小。其主要原因是室內(nèi)模擬實驗中是間歇結晶方式，其結晶器尺寸很小，難以模擬連續(xù)結晶器中的真實情況[12]。而在連續(xù)實驗中，閃蒸罐沒有設計細晶消除系統(tǒng)，過飽和度相對較低，使得最終生成的晶體粒度偏低。但在實驗中得到的晶體離散度總體上也較室內(nèi)模擬實驗低，顆粒分布總體上更均勻。在1~5組實驗中，在加熱循環(huán)管路中肉眼觀察到了少量的顆粒，6~7組未觀察到明顯的顆粒。其主要原因是1~5組析出的晶體存在少量微小顆粒，該5組的D(0.1)為46.681~66.349 μm，而第6組和第7組的D(0.1)均大于70 μm，離散度也較小，更有利于獲得均勻顆粒和沉降分離。

表1 連續(xù)實驗工藝條件Table1 Continuousexperimentalprocessconditions序號閃蒸壓力/kPa加熱溫度/℃1-901302-901353-901404-901455-901506-851407-80140

根據(jù)實驗結果，-80 kPa、140 ℃條件效果最好，與前文優(yōu)選出的工藝參數(shù)一致。

5結 論

為獲得較好的沉降分離效果，從影響結晶粒度分布的角度對乙二醇脫除高溶解度鹽裝置中閃蒸罐的工藝參數(shù)進行了優(yōu)選，結果為：閃蒸溫度140 ℃，閃蒸壓力-80 kPa，停留時間5 min。優(yōu)選后的工藝參數(shù)經(jīng)過連續(xù)實驗裝置的驗證，能順利沉降分離，達到脫鹽的目的，表明本文所用方法具有可行性。

參 考 文 獻

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Optimization of parameters for MRU desalination flash drum process

based on particle size distribution

Liu Kang1, He San2, Liu Xiaoming1, Xu Zhaoli2, Yuan Zongming2

(1.CNOOCDeepwaterDevelopmentCo.，Ltd.,Shenzhen518067,China)

(2.SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu610500,China)

Abstract:Monoethylene glycol regeneration & desalination system is one of key units in deepwater gas development, often using evaporative crystallization and sedimentation theory to achieve high solubility salt (such as NaCl) removal. The main process parameters on the desalting flash tank, mainly optimized from the perspective of energy in the past, can only show the effects of process parameters on evaporation, but not directly show the effects on the crystallization and particles settling & separation. To study the main process parameters of flash separator as a crystallizer, the influence of temperature, pressure, and residence time on the crystal size distribution of NaCl in ethylene glycol solution was studied by laser diffraction particle size analyzer. The results showed that under the same conditions, the higher temperature, the more dispersive crystal size distribution and the smaller average particle size; the higher degree of vacuum, the more dispersive crystal size distribution and the smaller average particle size; too long or too short of residence time would cause the average crystal size to become small. For discussed solutions, optimized process parameters are that flash temperature is 140℃, pressure is -80 kPa, and the residence time is 5 minutes. The optimized parameters can achieve stable sedimentation separation and desalination by the verification of developed continuous experimental apparatus.

Key words:flash drum， process parameter， sodium chloride， ethylene glycol， particle size distribution

收稿日期：2015-09-17；編輯：康莉

中圖分類號：TE648

文獻標志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1007-3426.2016.01.008

通信作者：賀三(1975-)，男，副教授， 2004年博士畢業(yè)于西南石油大學，現(xiàn)主要從事油氣集輸、流動保障技術等的相關研究與教學工作。E-mail: hesan@126.com

作者簡介：劉康(1982-)，男，工程師，從事海洋石油工程建設項目管理工作。

基金項目：①國家自然科學基金“深水天然氣水合物輸送管道氣液固三相流基礎理論研究”(51474184)，中海油重點項目“深水氣田開發(fā)乙二醇再生裝置脫一價鹽系統(tǒng)關鍵技術研究”(CCL2013SKPS0170)。